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(11) | EP 0 780 486 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Procédé et dispositif pour la formation d'un revêtement sur un substrat |
| (57) Procédé et dispositif pour la formation d'un revêtement sur un substrat (1) se déplaçant
à travers une enceinte (2), ce procédé consistant à former le revêtement par une évaporation
suivie d'une condensation et par une pulvérisation cathodique simultanée de cet élément
à partir d'une cible (4) sur le substrat (1) et à régler le rapport des quantités
de l'élément qui sont simultanément évaporées et pulvérisées en agissant sur l'apport
d'énergie à la cible (4). |
[0001] La présente invention est relative à un procédé pour la formation d'un revêtement sur un substrat par condensation d'un élément sur ce substrat se déplaçant à travers une enceinte où a lieu l'évaporation dudit élément.
[0002] Les procédés connus jusqu'à présent du type précité présentent notamment l'inconvénient que, dans certains cas, surtout pour des épaisseurs de revêtement relativement importantes, des problèmes d'adhérence peuvent se poser.
[0003] De plus, l'homogénéité du revêtement tant du point de vue composition que du point de vue épaisseur n'est pas toujours constante.
[0004] Un des buts essentiels de la présente invention est de remédier à ces inconvénients et d'assurer ainsi une très bonne adhérence du revêtement au substrat même pour des épaisseurs relativement importantes tout en assurant des vitesses de dépôt et, par conséquent, un rendement élevés.
[0005] Suivant l'invention, on fait usage, dans cette enceinte, d'une cible présentant une couche superficielle orientée vers le substrat contenant l'élément susdit, on forme ledit revêtement, d'une part, par une évaporation suivie d'une condensation et, d'autre part, par une pulvérisation cathodique simultanée de cet élément à partir de la cible sur le substrat, et on règle le rapport des quantités de l'élément qui sont simultanément évaporées et pulvérisées en agissant sur l'apport d'énergie à la cible.
[0006] D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre d'exemple, non limitatif d'une forme de réalisation particulière de l'invention avec référence à la figure unique annexée qui représente schématiquement une coupe verticale et longitudinale d'un dispositif spécifique pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
[0007] L'invention concerne, d'une façon générale, un procédé, de préférence continu, pour la formation d'un revêtement sur un substrat quelconque, qui consiste en la combinaison de la technique de l'évaporation et condensation sous vide, connue en soi, et la technique de pulvérisation cathodique, encore appelée "sputtering", également connue en soi.
[0008] Suivant l'invention, il a, en effet, été constaté qu'en appliquant simultanément ces deux techniques connues, un certain effet synergique mutuel a lieu qui a comme résultat d'éviter les inconvénients que présente chacun de ces techniques utilisées séparément.
[0009] Par le procédé suivant l'invention, il est possible de réaliser sur un substrat ou support des dépôts à très grande vitesse, de sorte qu'il peut avantageusement être réalisé en continu. De plus, on obtient des revêtements d'une parfaite homogénéité et une meilleure adhérence comparée à l'utilisation de la technique d'évaporation sous vide seule. La part de l'une ou de l'autre technique dans la formation du revêtement précité est fonction de la densité de puissance maintenue à la cible et du transfert thermique entre la cible et le système de refroidissement qui fixent la température de la cible ainsi que du type d'élément à évaporer et à pulvériser.
[0010] Aussi, suivant l'invention et comme illustré par la figure, on déplace le substrat 1 à recouvrir par un revêtement de préférence métallique 2 à travers une enceinte sous vide 3 dans laquelle a lieu l'évaporation et la pulvérisation cathodique de l'élément dont est constitué le revêtement 2.
[0011] Quoique l'invention ne soit pas limitée à la formation d'un revêtement métallique, pour la facilité de l'exposé, on fera uniquement mention, ci-après, d'un métal comme élément, dont est constitué le revêtement.
[0012] Dans la forme de réalisation spécifique montrée à la figure précitée, le substrat 1 est formé par une feuille métallique, notamment par une tôle d'acier traversant l'enceinte 3 d'une manière continue.
[0013] Cette enceinte 3 comprend une cible 4 présentant une couche superficielle 5 orientée vers le substrat 1 et contenant le métal destiné à former le revêtement 2, à l'état liquide. Cette cible 4 est, en pratique, de préférence formée par un creuset contenant le métal susdit à l'état liquide. Ce creuset 4 est réalisé en une matière pouvant résister à des températures élevées de l'ordre de 1000°C à 1300°C et qui, à ces températures élevées, n'est pas attaquée par l'élément qu'il contient. Il peut être en une matière non conductrice d'électricité, telle que de l'alumine, du nitrure de bore, etc., ou en une matière conductrice d'électricité, telle que du carbone, du molybdène, du tungstène, etc. Le choix de cette matière dépend essentiellement de ses propriétés de résistance vis-à-vis du métal à évaporer et à pulvériser.
[0014] Dans le cas où le creuset 4 est réalisé en une matière non conductrice, une amenée de courant 6 doit permettre d'alimenter en puissance le métal à évaporer. Si, par contre, le creuset est en une matière conductrice d'électricité, celui-ci peut être supporté mécaniquement par une amenée de courant. Toutefois, même dans le cas d'un creuset réalisé en une matière conductrice, il peut être préférable d'utiliser une amenée de courant 6 directement en contact avec le métal à évaporer et à pulvériser afin d'assurer un bon contact électrique, indépendamment des dilatations thermiques. Les parois latérales d'un creuset en une matière conductrice sont avantageusement isolées électriquement par un écran 7 permettant d'éviter la formation d'une décharge (plasma) sur les côtés du creuset, et ainsi la pulvérisation cathodique à ces parois latérales. Le rapport des quantités, qui sont simultanément évaporées et pulvérisées, est contrôlé en agissant sur la température de la cible en faisant varier la puissance dissipée à la cible et/ou la conductibilité thermique entre la cible et le système de refroidissement. Ce contrôle thermique permet à l'élément, notamment le métal, contenu dans le creuset 4 d'atteindre des températures suffisantes afin que la tension de vapeur dans l'enceinte 3 donne éventuellement lieu à un processus d'évaporation sous vide. De plus, le creuset 4 est disposé au-dessus d'un circuit magnétique 8 permettant ainsi une décharge magnétron. Ce circuit 8 est de préférence alimenté en courant continu.
[0015] Le circuit 8 est refroidi par une circulation d'eau de manière à le tenir à une température de 15°C à 60°C, de préférence de l'ordre de 20°C à 40°C.
[0016] Par ailleurs, le contrôle thermique du creuset 4 est réalisé par des moyens connus en soi, tels qu'un réglage du transfert thermique par des éléments d'isolation de conductibilité thermique constante ou variable 9 agencés en dessous du creuset 4 permettant de maintenir la température du creuset 4 entre 200°C et 1500°C, suivant la nature du métal contenu dans ce dernier, par exemple de l'ordre de 1200°C dans le cas de l'étain. La température détermine la tension de vapeur et donc le temps d'évaporation du métal.
[0017] Suivant une variante de l'invention, le contrôle thermique précité peut comprendre un fluide régulateur conducteur du type décrit dans le document EP-A-95870065.
[0018] Pour permettre la pulvérisation cathodique, le métal liquide 5 à évaporer et à pulvériser contenu dans le creuset 4 est maintenu à un potentiel négatif par rapport au substrat 1 et un plasma 10 est créé à proximité du niveau de ce métal liquide 5 grâce à la présence du circuit magnétique 8.
[0019] Un gaz inerte, tel que de l'argon, est introduit dans l'enceinte 3 par des injecteurs 11, dirigés de préférence en oblique, vers le plasma 10 et vers le métal liquide 5 contenu dans le creuset 4.
[0020] De cette façon, ce gaz est ionisé et les ions ainsi formés bombardent la surface du métal liquide 5 en éjectant des particules de ce métal vers le substrat.
[0021] Le document EP-A-95870065.0 décrit un procédé de pulvérisation cathodique qui est applicable dans le cadre de la présente invention moyennant un réglage approprié de la température du creuset dans le sens décrit ci-dessus pour obtenir la tension de vapeur requise du métal précité au-dessus du creuset 4.
[0022] La régulation de la vitesse de dépôt de ce métal sur le substrat s'obtient, suivant l'invention, par effet conjugué du réglage de la densité de puissance et du transfert thermique.
[0023] Suivant une forme de réalisation particulière du procédé suivant l'invention, la décharge ou le plasma est maintenu dans la vapeur formée du métal au-dessus du creuset. Il a été constaté que, dans ce cas, le flux de gaz inerte projeté dans le plasma par les injecteurs 11 peut être fortement réduit ou même supprimé.
[0024] Il s'est avéré qu'une décharge stable peut être obtenue si la pression totale du gaz, comprenant la vapeur de métal et le gaz inerte, dans l'enceinte est comprise entre 0,002 et 0,5 Torr.
[0025] Le procédé suivant l'invention est essentiellement applicable avec de l'étain, de l'aluminium, du zinc, du chrome et du nickel comme métal à évaporer et à pulvériser simultanément.
[0027] Ci-après sont repris quelques données numériques de tests effectués au moyen d'un dispositif du type de celui montré à la figure annexée dans lequel le métal était formé d'étain.
[0028] Le substrat était formé d'une tôle d'acier de 0,25 mm dont une des faces a été recouverte d'un revêtement d'étain.
[0029] Dans ces tests, le contrôle thermique a essentiellement eu lieu au moyen d'une feuille de mica régulatrice présentant une conductivité thermique de 0,35 Wm-1K-1 et une épaisseur de 3 mm.
[0030] Les résultats suivants ont été obtenus :
| N° du test | P W cm-2 | % évaporé | % pulv. | µ min-1 |
| 1 | 9.4 | 0 | 100 | 2 |
| 2 | 14.1 | 0.1 | 99.9 | 3 |
| 3 | 31.1 | 84.6 | 15.4 | 43.3 |
[0031] Dans le test n° 3, la tension de vapeur PSn était de 5.10-3 Torr, ce qui a permis de couper le flux d'argon, utilisé comme gaz inerte à ioniser.
[0033] Les résultats des tests n° 1 à 3 indiquent quelle est l'influence de la densité de puissance.
[0034] La comparaison des résultats des tests n° 3 et 4 montre que la pulvérisation pure (contact thermique parfait) requiert cinq fois plus de puissance que la pulvérisation plus évaporation (3 mm de mica) pour une vitesse de dépôt équivalente de l'ordre de 4 µm/min
[0035] Si, dans le test n° 3, la tôle était refroidie, l'augmentation de la température était de 1 K, alors que pour une tôle non refroidie, cette augmentation était de 69 K.
[0036] Dans le test n° 4, l'augmentation de la température pour une tôle refroidie était de 0,15 K et pour une tôle non refroidie de 14 K.
[0037] Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus du procédé pour la formation d'un revêtement sur un substrat et du dispositif représenté à la figure annexée, mais que bien des variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de la présente invention, notamment en ce qui concerne la nature du substrat à recouvrir, l'élément dont le revêtement est formé, les moyens de régulation thermique, etc.
[0038] Ainsi, au cas où l'élément précité est formé de zinc, celui-ci peut être présent à l'état solide et être chauffé à une température de l'ordre de 450 à 500°C de manière à obtenir une sublimation suffisamment importante du zinc. Le zinc peut, par exemple, se présenter sous forme de granules dans le creuset.
1. Procédé pour la formation d'un revêtement sur un substrat par condensation d'un élément,
notamment d'un métal, sur ce substrat se déplaçant à travers une enceinte où a lieu
l'évaporation dudit élément, caractérisé en ce que l'on fait usage, dans cette enceinte,
d'une cible présentant une couche superficielle orientée vers le substrat contenant
l'élément susdit, en ce que l'on forme ledit revêtement, d'une part, par une évaporation
suivie d'une condensation et, d'autre part, par une pulvérisation cathodique simultanée
de cet élément à partir de la cible sur le substrat, et en ce que l'on règle le rapport
des quantités de l'élément qui sont simultanément évaporées et pulvérisées en agissant
sur l'apport d'énergie à la cible .
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise comme cible
un creuset contenant l'élément précité et disposé au-dessus d'un circuit magnétique
refroidi, de préférence à une température de l'ordre de 15° à 60°C, permettant ainsi
une décharge magnétron, ce circuit étant de préférence alimenté en courant continu.
3. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que
l'on crée un plasma dans de la vapeur formée par évaporation de l'élément à partir
de la cible.
4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on
maintient une pression de gaz entre la cible et le substrat supérieure à 0,002 Torr
et de tout au plus 0,5 Torr.
5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on
applique la pulvérisation cathodique précitée sensiblement en l'absence d'un gaz inerte
ionisé, tel que de l'argon.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on
fait usage d'un élément choisi dans le groupe formé par l'étain, l'aluminium, le zinc,
le chrome et le nickel.
7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on
fait usage d'un substrat se présentant sous forme d'une feuille se déplaçant suivant
un plan d'une manière sensiblement continue à travers l'enceinte précitée en regard
de la cible.
8. Dispositif pour la formation d'un revêtement (2) sur un substrat (1), notamment pour
la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant
a) au moins une enceinte (3) dans laquelle est agencée une cible (4) présentant au
moins une couche superficielle (5) orientée vers le substrat contenant au moins un
des éléments du revêtement à former, b) des moyens de transport pour déplacer, de
préférence d'une manière sensiblement continue, le substrat (1) en regard de la cible
(4), c) des moyens de régulation thermique (9) pour maintenir au moins ladite couche
superficielle (5) éventuellement à l'état liquide et pour évaporer ledit élément d'une
manière contrôlée, et des moyens (6, 8, 10, 11) pour réaliser la pulvérisation cathodique
de l'élément (5) à partir de la cible (4) vers le substrat.
9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit
magnétique refroidi en dessous de la cible, des moyens de régulation thermiques étant
agencés entre ce circuit et la cible.